《表1 Avogadro软件支持的力场》

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《Avogadro软件在分子模拟课程中的应用》

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Avogadro软件还能根据用户需要，方便地构建用户定义的分子。在主界面选择Draw Tools模式（默认为绘图模式，可通过F8快捷键切换），在画布的任何位置单击，画布上就会出现一个甲烷分子，这是因为该软件在绘制缺省的碳原子后，会自动为该碳原子补全氢原子。如需取消自动补氢功能，可以在左面板上反勾选Adjust Hydrogens单选框。为了绘制乙烷分子，需要以碳元素取代甲烷的一个氢原子，只需将光标置于甲烷碳原子的位置上，点击并向旁边拖动光标就会自动以甲基取代原位置的一个氢原子，画布上就出现了乙烷分子。绘制烯烃则需要更改C-C键的键级。在面板将元素C的成键方式选择双键，在乙烷分子的一个碳原子的位置拖动光标就会得到丙烯分子。对于复杂分子，比如苯系化合物等，Avogadro软件还提供了片段模版（fragment）。点击菜单栏Build-Insert-Fragment，选择Aromatic-benzene.cml即可得到苯分子的结构。此外，由于通过手动绘制的结构往往严重偏离分子的真实结构，因此需要对手工绘制的结构进行优化。Avogadro软件提供了若干基于分子力场的优化功能。力场是基于实验或者量子力学计算拟合得到的一系列数学表达式，通过力场，可以计算分子之间的相互作用，从而得到系统的能量，结合一些优化算法，还能实现手工绘制分子结构的优化。优化结构实际上是对由多变量数学表达式计算得到的能量势能面寻找极小值从而得到稳定的分子构型。优化过程首先需要对分子赋予力场参数，表1总结了Avogadro软件所支持力场的适用体系以及优缺点[8]。对于一般有机分子，MMFF94力场[9]有着不错的表现，因此，点击菜单栏Extensions-Molecular Mechanics-Setup Force Field，选择MMFF94s力场，软件就能为分子自动赋予力场参数，Avogadro能否正确识别原子类型并提供力场参数依赖于绘制分子时的键级（比如双键，三键等）是否正确设置。结构优化时可采用最速下降法，设置能量收敛精度为10E-8、步数为5000，接下来点击Extensions-Optimize Geometry，软件会自动优化所有原子的坐标，以使得力场计算得到的分子能量处于极小值点（非最小值点）。优化完成后，点击菜单栏File-Save As将优化后的结构导出为PDB文件或者XYZ文件。